[发明专利]一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金、金属陶瓷烧结制品成型模具内层材料、其制备工艺及评价方法，特别适用于石油、探矿和机械制造行业中聚晶金刚石复合片钻头成型模具以及烧结金属陶瓷耐磨零件的制造。

背景技术

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头属于一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力。它以其长寿命、高效率、钻进平稳等优点越来越广泛地被应用于石油钻探、煤田地质钻探等领域，但是PDC钻头形状结构复杂，精度要求高，致使其胎体烧结用模具制造难度大。

目前，PDC钻头生产普遍采用粉末冶金制作钻头体，再将PDC切削齿镶焊在钻头体上。用这种方法制作的钻头体，冠部是由预先制作好的模具来成型的。因此，钻头体的冠部形状和尺寸完全取决于粉末冶金成型模具。传统的模具是采用石墨棒料经机械加工、划线，再经手工雕刻修磨PDC支撑体凹坑和水口塞等复杂部位的工序来完成的。这种方法虽然能加工各种形状、规格及大小的模具，但生产效率低，经济成本高，精度难以满足设计要求。

先进的PDC钻头制造工艺，采用无压浸渍法制造钻头的软模具技术，降低了工作强度和生产成本。软模具制造钻头与常规制造钻头方法相比，增加了橡胶模具和陶土模具2个环节，其步骤为：在石墨壳体内部放置橡胶模型，然后注入陶土浆料，待浆料固化后，取出橡胶模型，即可形成石墨壳体内的陶土成型内衬。

陶土粉原材料丰富廉价，可进行大规模生产。陶土浆料硬化速度快，湿强度高，并可在石墨壳体中通过注浆后快速凝固制成陶土内模具。陶土内模具耐高温、抗腐蚀、不粘模、化学性能稳定，在PDC钻头胎体高温烧成后脱模容易，因此为高效率，低成本生产PDC钻头提供了可靠的技术途径。

注浆成型过程中陶土浆料的流动性、悬浮性、固化时间，以及陶土内模层材料在钻头胎体高温烧结过程中的强度和烧结后的溃散性，决定着生产的可操作性，影响着钻头质量的好坏。

烧结金属陶瓷耐磨零件成型模具也多采用石墨为制造材料，在采用陶土作内层材料时，使用情况和性能也与前述类似。

目前相关的专利主要围绕在陶土配方的组成及优化，陶土的煅烧制备及使用性能的改进方面。

专利CN101805159公开了一种液态浇铸快速固化成型耐高温陶土及其制备工艺和制模工艺，该陶土由8种原料组成，具有较好的耐高温能力和良好的冷却溃散性。不过，在陶土工艺及性能方面缺乏有效的评价方法。

专利CN101737011公开了一种石油、地质、煤炭钻井用钻头的烧结模具，在模具的烧结底模上采用石墨替代齿，通过调整石墨替代齿控制PDC钻头的制备。该专利未涉及陶土模具方面的内容。

专利CN101880480公开了一种煅烧陶土的制备方法，主要从配方、煅烧工艺及添加剂方面进行了研究，该陶土主要用来作为橡胶填料使用。

专利CN12220247公开了一种超细活性陶土制备方法，通过该方法可以获取具有良好功能特性且能有效补强橡胶的陶土填料。这两个专利主要是制备橡胶填料用陶土粉体材料。

在实际生产中，无论使用国内还是国外生产的作为模具内层材料的陶土粉体，经常出现脱橡胶模时陶土内层开裂，加热到高温时，模具烧结成瓷，脱模困难，烧结好的钻头损坏的现象。因此，优选及制备作为模具的陶土内层材料极其重要。

本发明针对粉末冶金、金属陶瓷成型模具内层材料的结构特点及生产实际，提供一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法，这对于指导优良性能陶土内层材料的配制，成功实现高质量、高效率、低成本的PDC钻头烧结和金属陶瓷耐磨部件制备具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，该陶土原料组成简单，具有较好的高温强度（1100～1250℃）和急冷溃散性，便于进行脱模处理,克服现有成型模具内层材料性能的缺陷与不足。

本发明的另一目的在于提供该陶土材料的制备工艺，该工艺原理可靠，操作简便，对于指导优良性能陶土内层材料的配制，成功实现高质量、高效率、低成本的PDC钻头烧结和金属陶瓷耐磨部件的制备具有非常重要的意义。

本发明的另一目的还在于提供该陶土材料的评价方法，该方法从浆料及块体制备两方面对陶土性能进行评价，首先评价陶土浆料凝固时间的影响因素，通过测定水固比和环境温度两方面进行，其次分析陶土块体试样的失重率、体积收缩率和强度随温度变化的规律以及形貌变化，评价烧结模具用陶土内层材料的高温强度和急冷溃散性。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。